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一个典型的动力电池管理系统

时间:2020-02-05 09:16      来源:未知   浏览量:

一个典型的动力电池管理系统

电池管理系统,BMS(Battery Management System),是电动汽车动力电池系统的重要组成。它一方面检测收集并初步计算电池实时状态参数,并根据检测值与允许值的比较关系控制供电回路的通断;另一方面,将采集的关键数据上报给整车控制器,并接收控制器的指令,与车辆上的其他系统协调工作。电池管理系统,不同电芯类型,对管理系统的要求往往并不一样。那么,一个典型的动力电池管理系统具体都需要关注哪些功能呢?今天翻译整理了一篇文章,一起看看BMS的关键技术,整体内容分成上中下三个部分。

一个典型的动力电池管理系统,需要实现哪些功能(上篇)

1 简介

电动汽车用锂离子电池容量大、串并联节数多,系统复杂,加之安全性、耐久性、动力性等性能要求高、实现难度大,因此成为影响电动汽车推广普及的瓶颈。锂离子电池安全工作区域受到温度、电压窗口限制,超过该窗口的范围,电池性能就会加速衰减,甚至发生安全问题。目前,大部分车用锂离子电池,要求的可靠工作温度为,放电时-20~55°C,充电时0~45°C(对石墨负极),而对于负极LTO充电时最低温度为-30°C;工作电压一般为1.5~4.2 V左右(对于LiCoO2/C、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2/C、LiCoxNiyMnzO2/C以及LiMn2O4/C等材料体系约2.5~4.2 V,对于LiMn2O4/Li4Ti5O12 材料体系约1.5~2.7 V,对于LiFePO4/C 材料体系约2.0~3.7 V)。

温度对锂电池性能尤其安全性具有决定性的影响,根据电极材料类型的不同,锂电池(C/LiMn2O4 , C/LMO,C/LiCoxNiyMnzO2 ,C/NCM, C/LiFePO4 ,C/LiNi0.8Co0.15Al0.05O2, C/NCA)典型的工作温度如下:放电在-20-55℃,充电在0-45℃;负极材料为Li4Ti5O12 或者 LTO时,最低充电温度往往可以达到-30℃。

当温度过高时,会给电池的寿命造成不利影响。当温度高至一定程度,则可能造成安全问题。如图所示图1中,当温度为90~120 ℃时,SEI 膜将开始放热分解[1 ~3] ,而一些电解质体系会在较低温度下分解约69℃ [4]。当温度超过120℃,SEI 膜分解后无法保护负碳电极 ,使得 负极与有机电解质直接反应,产生可燃气体将[3] 。当温度为130 ℃,隔膜将开始熔化并关闭离子通道,使得电池的正负极暂时没有电流流动[5,6] 。当温度升高时,正极材料开始分解(LiCoO 2 开始分解约在150 ℃[7] ,LiNi0.8Co0.15Al0.05O2在约160 ℃[8,9],LiNixCoyMnzO2 在约210℃[8],LiMn2O4 在约265 ℃ [1] ,LiFePO4在约310℃ [7] )并产生氧气。当温度高于200℃时,电解液会分解并产生可燃性气体[3] ,并且与由正极的分解产生的氧气剧烈反应[9] ,进而导致热失控。在0℃以下充电,会造成锂金属在负极表面形成电镀层,这会减少电池的循环寿命。[10]

过低的电压或者过放电,会导致电解液分解并产生可燃气体进而导致潜在安全风险。过高的电压或者过充电,可能导致正极材料失去活性,并产生大量的热;普通电解质在电压高于4.5 V时会分解[12]

为了解决这些问题,人们试图开发能够在非常恶劣的情况下进行工作的新电池系统,另一方面,目前商业化锂离子电池必须连接管理系统,使锂离子电池可以得到有效的控制和管理,每个单电池都在适当的条件下工作,充分保证电池的安全性、耐久性和动力性。

2 电池管理系统定义

电池管理系统的主要任务是保证电池系统的设计性能,可以分解成如下三个方面:

1)安全性,保护电池单体或电池组免受损坏,防止出现安全事故;

2)耐久性,使电池工作在可靠的安全区域内,延长电池的使用寿命;

3)动力性,维持电池工作在满足车辆要求的状态下。锂离子电池的安全工作区域如图1所示。

图1为锂离子电池的安全操作窗口

BMS由各类传感器、执行器、控制器以及信号线等组成,为满足相关的标准或规范,BMS应该具有以下功能。

1)电池参数检测。包括总电压、总电流、单体电池电压检测(防止出现过充、过放甚至反极现象)、温度检测(最好每串电池、关键电缆接头等均有温度传感器)、烟雾探测(监测电解液泄漏等)、绝缘检测(监测漏电)、碰撞检测等。

2)电池状态估计。包括荷电状态(SOC)或放电深度(DOD)、健康状态(SOH)、功能状态(SOF)、能量状态(SOE)、故障及安全状态(SOS)等。

3)在线故障诊断。包括故障检测、故障类型判断、故障定位、故障信息输出等。故障检测是指通过采集到的传感器信号,采用诊断算法诊断故障类型,并进行早期预警。电池故障是指电池组、高压电回路、热管理等各个子系统的传感器故障、执行器故障(如接触器、风扇、泵、加热器等),以及网络故障、各种控制器软硬件故障等。电池组本身故障是指过压(过充)、欠压(过放)、过电流、超高温、内短路故障、接头松动、电解液泄漏、绝缘降低等。

4)电池安全控制与报警。包括热系统控制、高压电安全控制。BMS诊断到故障后,通过网络通知整车控制器,并要求整车控制器进行有效处理(超过一定阈值时BMS也可以切断主回路电源),以防止高温、低温、过充、过放、过流、漏电等对电池和人身的损害。

5)充电控制。BMS中具有一个充电管理模块,它能够根据电池的特性、温度高低以及充电机的功率等级,控制充电机给电池进行安全充电。

6)电池均衡。不一致性的存在使得电池组的容量小于组中最小单体的容量。电池均衡是根据单体电池信息,采用主动或被动、耗散或非耗散等均衡方式,尽可能使电池组容量接近于最小单体的容量。

7)热管理。根据电池组内温度分布信息及充放电需求,决定主动加热/散热的强度,使得电池尽可能工作在最适合的温度,充分发挥电池的性能。

8)网络通讯。BMS需要与整车控制器等网络节点通信;同时,BMS在车辆上拆卸不方便,需要在不拆壳的情况下进行在线标定、监控、自动代码生成和在线程序下载(程序更新而不拆卸产品)等,一般的车载网络均采用CAN总线技术。

9)信息存储。用于存储关键数据,如SOC、SOH、SOF、SOE、累积充放电Ah数、故障码和一致性等。车辆中的真实BMS可能只有上面提到的部分硬件和软件。每个电池单元至少应有一个电池电压传感器和一个温度传感器。对于具有几十个电池的电池系统,可能只有一个BMS控制器,或者甚至将BMS功能集成到车辆的主控制器中。对于具有数百个电池单元的电池系统,可能有一个主控制器和多个仅管理一个电池模块的从属控制器。对于每个具有数十个电池单元的电池模块,可能存在一些模块电路接触器和平衡模块,并且从控制器像测量电压和电流一样管理电池模块,控制接触器,均衡电池单元并与主控制器通信。根据所报告的数据,主控制器将执行电池状态估计,故障诊断,热管理等。

10)电磁兼容。由于电动车使用环境恶劣,要求BMS具有好的抗电磁干扰能力,同时要求BMS对外辐射小。电动汽车BMS软硬件的基本框架如图2所示。

图2 车载BMS的软硬件基本框架

3 BMS的关键问题

尽管BMS有许多功能模块,本文仅分析和总结其关键问题。目前,关键问题涉及电池电压测量,数据采样频率同步性,电池状态估计,电池的均匀性和均衡,和电池故障诊断的精确测量。

3.1 电池电压测量(CVM)

电池电压测量的难点存在于以下几个方面:

(1)电动汽车的电池组有数百个电芯的串联连接,需要许多通道来测量电压。由于被测量的电池电压有累积电势,而每个电池的积累电势都不同,这使得它不可能采用单向补偿方法消除误差。

图3 OCV曲线和每毫伏电压的SOC的变化(在25℃测量,休息时间3小时)

(2)电压测量需要高精度(特别是对于C / LiFePO 4 电池)。SOC估算对电池电压精度提出了很高的要求。这里我们以C / LFP和LTO / NCM型电池为例。图3显示了电池C / LiFePO 4 和LTO / NCM 的开路电压(OCV)以及每mV电压对应的SOC变化。从图中我们可以看到LTO / NCM的OCV曲线的斜率相对陡峭,且大多数SOC范围内,每毫伏的电压变化对应的最大SOC率范围低于0.4%(除了SOC 60~70%)。因此,如果电池电压的测量精度为10mV,那么通过OCV估计方法获得的SOC误差低于4%。因此,对于LTO / NCM电池,电池电压的测量精度需要小于10 mV。但C / LiFePO 4OCV曲线的斜率相对平缓,并且在大多数范围内(除了SOC < 40%和65 ~80%),每毫伏电压的最大相应SOC变化率达到4%。因此,电池电压的采集精度要求很高,达到1 mV左右。目前,电池电压的大部分采集精度仅达到5 mV。在文献[47]和[48]中,分别总结了锂电池组和燃料电池组的电压测量方法。这些方法包括电阻分压器方法,光耦合隔离放大器方法,离散晶体管的方法[49] ,分布式测量方[50] ,光耦合中继方法[51] 等等。目前,电池的电压和温度采样已形成芯片产业化,表1比较了大多数BMS所用芯片的性能。

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